采用GT-POWER仿真的发动机进气性能优化

王若平,余云飞,洪 森

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

采用GT-POWER仿真的发动机进气性能优化

王若平,余云飞,洪 森

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

进气系统是发动机的重要组成部分，进气性能严重影响了发动机和整车的性能，因此设计充气效率高的进气系统是汽车工程和学术界长期以来追求的目标。利用GT-power建立了某4缸汽油发动机的工作过程模型,在验证了该模型的准确性后,通过对进气系统管道长度与直径的改变，找出了充气效率的影响规律，对进气系统进行了优化，并验证了该优化方案的准确性。

GT-power；充气效率；进气系统

发动机的进气过程是一种脉动与谐振共存的过程。进气性能与进气结构中管道的长度、直径有着直接的关系。近年来，国内外许多研究者对此进行了大量的研究[1-10],结果表明:进气系统管道长度影响进气管道内压力波谐振频率；直径影响进气管道内压力波幅值。在发动机的设计过程中，由于受到经济成本、实验条件等的限制，多采用理论加经验的估算方法来设计发动机[1-2]。该方法虽然能节约时间，但存在精度低的缺点，无法保证设计出来的进气系统具有最优的性能。本文利用GT-power软件搭建了与某汽油发动机相匹配的进气系统,研究了进气系统长度与直径改变对发动机进气性能的影响规律，对进气系统进行了优化，并验证了优化方案的正确性。

1 进气系统的理论分析与组成

在发动机的进气过程中，当进气系统管道长度适当时,进气后期进气阀处的压力波为增压波,新鲜工质(空气)将被压缩进入气缸,产生谐振增压的效果,增加进入气缸内新鲜工质的质量,从而提高发动机的动力性能[3-4]。大量的文献资料[5-6]显示：管道长度与谐振频率成反比关系,缩短管道长度使得谐振频率增大,进气谐振点向高转速移动,反之则向低转速移动。因而可以利用这一特性来提高发动机特定转速下气缸的充气效率,改善发动机动力性能。

1.1 进气系统的组成

如图1所示，进气系统一般由进气导流管、空气滤清器、赫姆霍兹消声器、四分之一波长管、进气总管、进气歧管、进气控制阀等组成。从结构形式考虑，影响进气阻力的因素主要有进气系统中的管道结构和空气滤清器等。改善进气过程中的管道结构能很好地降低进气阻力，从而提高进气效率[5-6]。

图1 进气系统组成图

1.2 进气性能评价指标

发动机的进气性能直接影响着内燃机的动力性能和经济性能指标。

(1)

其中：pi为平均指示压力；ηi为指示效率；Hu为燃烧低热值；Lo为燃烧1 kg燃料理论上所需的空气量；Ps为进气系统压力；TS为进气系统的温度；ηv为充气效率。

平均指示压力是指发动机单位汽缸工作容积一个循环能发出的有效功，是衡量发动机动力性能的重要指标。因此，提高内燃机的充气效率对提高内燃机的综合性能有重要意义。

(2)

由式(2)可知：提高充气效率主要从提高吸气终了压力和降低残余废气压力着手。本研究主要通过改变吸气的压力来提高充气效率。

2 GT-power模型的搭建

GT-power是以一维CFD为基础，采用有限容积法对热流体进行模拟计算的软件，在计算进气系统流体状态时应用的基本控制方程如下：

连续方程：

动量方程：

能量方程：

发动机的基本参数如表1所示。

根据样车的以上参数建立如图2所示的GT-power模型。

表1 发动机主要技术性能参数

由图3可知：仿真模型与实验测得的数据整体趋势一致并且在数值上差距较小，可以判断搭建的模型基本与该款样车的进气特性相吻合。

图2 发动机GT-power模型

图3 实验数据与仿真数据相比较

3 整改方案

根据管道长度与直径对进气压力的影响，设置了以下3种方案对样车的充气效率进行改进：

1) 调整进气总管长度，调整范围：±40%、±20%、+60%；

2) 调整进气总管直径，调整范围：±40%、±20%、+60%；

3) 调整进气歧管长度，调整范围：±40%、±20%、+60%。

3.1方案1：进气总管长度调节对充气效率的影响

进气总管的长度主要影响进气系统中的波动效应。由图4可知：当进气总管长度增加时，在低转速下，充气效率略有波动，整体趋势一致；在3 000～3 400 r/min时，充气效率会有提高，且峰值会向低转速转移；在3 400 r/min以后充气效率会减少。

当进气总管长度减少时，在3 400 r/min之前，改进前后整体保持一致；在3 400～4 000 r/min，整体充气效率提高。

综合以上的数据分析可知：对进气总管长度的变化范围应控制在-20%～+20%。

图4 进气总管长度改变对充气效率的影响

3.2方案2：进气总管直径的调节对充气效率的影响

进气总管直径主要影响进气管道内压力波幅值。由图5可知：当进气总管直径增加时，在低转速下，充气效率略有波动，但改进前后整体趋势一致；在3 000～3 400 r/min时，充气效率基本不变，且在3 400 r/min左右充气效率达到峰值；在 3 400～4 000 r/min，充气效率整体增加。

当进气总管直径减少时，整体充气效率减少，在3 000～4 000 r/min,充气效率降低较多，峰值也有所下降。这是由于减小管道直径会增加系统的沿程阻力和局部损失，从而减少充气效率。

综合以上分析可知：对进气总管直径的变化应控制在+20%～+40%。

图5 进气总管直径变化对充气效率的影响

3.3方案3：进气歧管长度变化对充气效率的影响

由图6可知：当进气歧管长度增加时，在低转速充气效率略有波动；在2 500～3 000 r/min，进气歧管长度增加，充气效率会有所增加；在高转速时，充气效率会有所减少；当进气歧管长度减少时，整体充气效率会减少。

综合以上分析可知，进气歧管长度的增加范围应控制在+40%～+60%。

4 针对4 000 r/min下充气效率达到峰值的时间分析

该发动机的常用转速在4 000 r/min左右，该转速下达到充气效率峰值的时间越短，对整个发动机的动力性能和燃油经济性提高越明显。针对以上方案，对充气效率峰值时间进行分析。

4.1进气总管长度变化对充气效率峰值时间的影响

由图7可知:当进气总管长度增加时，充气效率达到峰值的时间会提前，但充气效率会略有降低；当进气总管长度减少时，充气效率达到峰值时间与峰值的大小基本不变。综合以上分析可知：进气总管长度应控制在-20%～+40%。

图7 进气总管长度对充气效率峰值时间的影响

4.2进气总管直径的变化对充气峰值时间的影响

由图8可知：当进气总管直径增加时，达到峰值的时间基本不变，整体充气效率会有增加；当进气总管直径减少时，峰值时间略有延后，并且整体充气效率会大幅减少。综合以上分析可知：进气总管直径控制范围应在+20%～+40%。

图8 进气总管直径对充气峰值时间的影响

4.3进气歧管长度对充气效率峰值时间的影响

由图9可知：随着进气歧管长度增加，充气效率峰值时间会有所提前，但峰值会减少；当进气歧管长度减少时，充气峰值时间基本不变，峰值会有较大幅度的减少，在减少20%时，充气效率峰值时间基本不变，且整体充气效率有所增加。综合以上分析可知：进气歧管长度的变化范围应在-20%左右。

图9 进气歧管长度变化对充气效率峰值时间的影响

4.4方案总结与优化

综合以上的数据分析，考虑到各个因素对充气峰值和峰值时间的影响，最终采取的控制方案是：对进气总管长度的变化范围控制在-20%～+20%；进气总管直径变化范围为+20%～+40%；牺牲充气效率峰值时间，进气歧管长度的范围应控制在+40%左右。

表2 各方案对比

5 结论

1) 本文在充足的参数基础上利用GT-power搭建模型，保证了仿真模型的准确性。

2) 基于已有的理论，对样车从管道长度和直径两方面进行优化，从中找出了相应的变化规律。

3) 综合两个参数的影响，对所提的优化方案做了进一步的筛选，极大地提高了优化方案的准确性。

4) 采用CFD与实验相结合的方法，缩短了进气系统开发的时间，优化了进气系统的性能。

5) 由于受到条件的限制，没有对改进方案进行实车验证，因而与实际工况会存在一定的偏差。

[1] 李景渊.发动机进气系统性能分析研究[D].重庆：重庆大学,2005.

[2] 邵恩坡,程汉华.发动机进气噪声的产生机理及其控制[J].小型内燃机,1994(4):44-47.

[3] 蒋德明.内燃机原理[M].北京：北京机械工业出版社,1998.

[4] 顾宏中.内燃机中的气体流动及数值分析[M].北京：国防工业出版社,1985.

[5] 刘靖,郑德林.一种新型配气机构的数值模拟[J].内燃机学报,1998,16(1):75-81.

[6] 卢月娥,任述光,杨大平.内燃机配气凸轮机构型线的动力学优化设计[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2002,28(6):522-524.

[7] 石来华,冯仁华.基于GT-POWER模型的发动机进气系统优化[J].铁道机车与动车,2010,32(7):18-21.

[8] 牟红雨,张翠平,任超超,等.发动机进气系统的FLUENT分析与结构优化[J].内燃机,2011(3):30-33.

[9] 罗马吉,黄震,陈国华,等.发动机进气流动三维瞬态数值模拟研究[J].空气动力学学报,2005,23(1):74-78.

[10] 刘义智，何健.客车发动机进气系统的设计[J].客车技术与研究,2012(4):36-39.

(责任编辑陈 艳)

OptimizationofEngineIntakePerformanceBasedontheSimulationofGT-Power

WANG Ruoping, YU Yunfei, HONG Sen

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013， China)

Intake system is an important part of the engine, and the performance of the engine and the performance of the vehicle is seriously affected by the intake system. The design of the intake system with high efficiency is the goal which the automobile engineering and the academic circles have been pursuing. This paper establishes a simulation model of a 4 cylinder gasoline engine working process by using GT-power software to verify the accuracy of the simulation model, to accelerate the charging efficiency condition and speed of the engine by changing the length and diameter of pipeline simulation of intake system, and it finds out the influence of the optimized intake system and verifies the accuracy of this optimized system.

GT-power; gas charging efficiency; air intake system

2016-12-18

王若平(1960—)，女，黑龙江哈尔滨人，教授，硕士生导师，主要从事现代汽车设计理论与方法研究，E-mail：1104816058@qq.com。

王若平,余云飞,洪森.采用GT-POWER仿真的发动机进气性能优化[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(10):1-5.

formatWANG Ruoping, YU Yunfei, HONG Sen.Optimization of Engine Intake Performance Based on the Simulation of GT-Power[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):1-5.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.001

TK411.6

A

1674-8425(2017)10-0001-05